CN101015452A - 用于永磁开放式磁共振设备中的三维运动电动病床系统 - Google Patents

Abstract

用于永磁开放式磁共振设备中的三维运动电动病床系统，包括悬臂式三维运动病床及其控制电路，其中悬臂式三维运动病床包括：可移动床面；支撑可移动床面的病床支架；用于移动可移动床面的升降装置、前后运动装置和左右运动装置；光电限位开关，用于将可移动床面控制在行程之内，分别设置于所述可移动床面的升降、前后和左右移动行程的两端。所述控制电路包括：主控单元；限位控制单元，与主控单元连接，用于操控光电限位开关；操作面板，与主控单元连接，用于向主控单元输入操作指令；与主控单元连接的电机驱动器。本发明的电动病床为永磁开放式磁共振设备的操作带来了很大的便利性，简化了控制方法和制造工艺。

Description

用于永磁开放式磁共振设备中的三维运动电动病床系统

技术领域

本发明涉及用于医疗诊断的影像设备，特别涉及用在永磁开放式磁共振设备中的电动病床系统。

背景技术

目前在CT等部分大型医学影像设备中，已经开始使用可以进行三维运动的病床，用于实现对病人的运送和精确定位。

但是在医学影像设备中，磁共振设备与CT类的设备最大的区别在于磁共振设备具有很强的磁场。磁共振设备属于高灵敏度的检测设备，首先，其对磁场的均匀度异常敏感，任何外加电磁材料的使用都可能对磁场均匀度造成破坏，直接影响成像质量和信噪比；其次，电动病床的使用容易对磁共振成像造成很大的干扰，这是不允许的；最后，梯度及其射频的强大能量可能会对电动病床某些电控部件造成致命损害。

电动病床的使用对成像信噪比的影响应控制在3％以内。要使电动病床的电控系统和机械部件在强磁场下正常工作必须要进行特殊设计，而且要克服相当大的困难。

磁共振设备一般分为超导和永磁两种类型。目前在超导领域，国外已有部分磁共振设备装有二维运动电动病床，即该电动病床具有上下和前后运动功能，但没有左右运动功能。对于永磁类型的磁共振设备，磁场是永久存在的，因此电动病床电控系统的设计难度更大。永磁领域的磁共振设备多用的是手动病床，电动病床很少，而且只具备在一个方向运动的功能。

此外，医学影像设备中的病床运动系统一般采用液压的方式控制病床的升降，制作工艺复杂，且不便于实现主机控制与通讯。

发明内容

本发明的主要目的是设计一种能工作在永磁开放式磁共振设备上的三维运动电动病床系统，从而提高磁共振设备成像的精确性、操作的便利性，以及提高病人的舒适程度。

本发明率先在磁共振领域使用悬臂式机械结构设计，将永磁开放式磁共振设备和电动病床的三维运动有机结合到一起，提供了一种驱动电机直接控制电动病床三个方向的移动的控制方案。

本发明提供的用于永磁开放式磁共振设备中的三维运动电动病床系统，其特征在于，该系统包括悬臂式三维运动病床及其控制电路，其中：

所述悬臂式三维运动病床包括：可移动床面；支撑可移动床面的病床支架；升降装置，用于使支撑着可移动床面的病床支架进行上下移动；前后运动装置，用于使可移动床面进行前后移动；左右运动装置，用于使可移动床面进行左右移动；光电限位开关，用于将可移动床面控制在行程之内，分别设置于所述可移动床面的升降、前后和左右移动行程的两端。

所述控制电路包括：主控单元，与电源和PC机连接，用于生成和发送控制信号；限位控制单元，与主控单元连接，用于操控光电限位开关；操作面板，与主控单元连接，用于向主控单元输入操作指令；与主控单元连接的电机驱动器。

所述升降装置包括伺服电机、减速机、调心轴、无磁滚珠丝杠及其支撑架。

所述前后运动装置包括直流电机、减速机、离合器、同步传动装置和导轨。

所述左右运动装置包括直流电机、减速机、离合器、同步传动装置和导轨。

所述控制电路中采用双屏蔽电缆作为连接线。

所述控制电路还包括光电编码器，其与主控单元连接，分别安装于升降装置、前后运动装置和左右运动装置中，用于计算可移动床面的移动距离。

所述电机在磁共振设备进行成像时自动断电。

所述电机驱动器和主控单元均用铝屏蔽盒全封闭。

所述控制信号的生成和发送采用不同回路和电源，并彼此绝缘。

所述操作面板、电源、PC机与主控单元之间设有带阻滤波器，用以滤除磁共振设备共振频率附近的信号。

所述病床的高度在450mm-900mm之间。

所述无磁滚珠丝杠的支撑架和所述病床支架为高纯度铝合金支撑架或者马氏体不锈钢支撑架。

所述无磁滚珠丝杠两侧设置有无磁直线导轨，用于承受可移动床面的侧倾力。

所述伺服电机安装于升降装置的最下方。

进出所述主控单元的控制信号全部经过光藕隔离。

使用穿心滤波器对进出所述主控单元的控制信号进行滤波。

所述主控单元使用的扩频晶振的工作频率为磁共振成像的共振频率。

所述控制电路还包括两个激光灯，其中一个安装在磁共振设备中，另一个安装于移动床面上，用于对病灶部位进行双定位。

本发明的能够进行三维运动的电动病床系统为永磁开放式磁共振设备的操作带来了很大的便利性。本发明的设计方案可以简化控制方法和制造工艺，并便于实现主机控制及通讯。

附图说明

图1为磁共振设备与本发明的三维运动电动病床系统的侧视图；

图2为本发明的悬臂式三维运动病床的机械传动装置结构图；

图3和图4为图2中的升降装置的结构原理图；

图5为图2中的前后运动装置的结构原理图；

图6为图2中的左右运动装置的结构原理图；

图7为图2中的悬臂式三维运动病床的控制电路的结构图；

图8为本发明的三维运动病床的PC机软件控制主流程图；

图9为本发明的三维运动病床的PC机软件控制流程中的串行中断子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1为磁共振设备与本发明的三维运动电动病床系统的侧视图。如图所示，可移动床面1在病床支架2的支撑下，与磁体3相连接。

图2为本发明的悬臂式三维运动病床的机械传动装置结构图。如图所示，固定在升降装置4上的病床支架2上安装有前后运动装置5和左右运动装置6，移动病床与前后运动装置5和左右运动装置6相连接。可移动床面1的高度设计范围可以设计为450mm-900mm，本实施例中该高度为550-850mm，这种设计非常便于儿童、老人及不能自理的病人上下。病床支架2作为病床的主要支撑部件需要能够承受160kg以上的负载，传统铸铁及钢结构设计不能满足强磁场环境要求，本实施例中使用LY12铝合金或马氏体不锈钢作为病床支架2的材料，以满足需求。

下面将结合图3-图6对图2中的悬臂式三维运动病床的各个传动装置进行详细说明。

图3和图4为图2中的升降装置的结构原理图。如图所示，伺服电机7安装于升降装置的底部，这是由于强磁场对电机的工作有很大的破坏性，如果电机工作环境中外加的磁场大于50高斯时，将会影响电机正常运转，但由于本发明特殊的悬臂结构，使伺服电机7无法远离磁体，因此选择允许安装范围内磁场最小的位置，也就是下磁体最下方，此处磁场强度小于150高斯，另外给伺服电机7增加屏蔽罩以降低磁场的干扰。

无磁滚珠丝杠8与伺服电机7连接，用于引导移动床体的升降。传统的滚珠丝杠由于使用了铁磁性材料，无法适用于强磁场下，并且滚珠丝杠及其支撑架距离磁体部分极近，对磁场均匀度有影响。本实施例中使用了了无磁性材料的陶瓷滚珠及马氏体不锈钢丝杠，既保证了所需的机械强度，又保证了无磁性的需要，可以应用于全磁场中不受影响。另外，无磁滚珠丝杠8的支撑架使用高纯度铝合金材料，同样满足无磁的需要。

由于本发明的三维运动病床设计为悬臂机械支撑结构，无磁滚珠丝杠8在上下运动时会承受床体的侧倾力，因此在无磁滚珠丝杠8的两侧设计了无磁直线导轨9来承受侧倾力，以保证无磁滚珠丝杠8的可靠性和耐久性。调心轴10位于无磁滚珠丝杠8的上部，用于调整床体与磁体的相对位置。

升降装置4的工作过程如下：需要床面下降时，按下操作面板上的向下运动按键，开通伺服电机7的驱动器，驱动伺服电机7运转，通过减速机进行减速，并将扭矩传递给无磁滚珠丝杆8。通过无磁滚珠丝杠8的丝母的向下运动，带动可移动床面1、病床支架2、前后运动装置5和左右运动装置6一同向下移动，使可移动床面1降到便于病人躺上的高度。需要床面上升时，按下操作面板上的向上运动按键，使伺服电机7反方向旋转，无磁滚珠丝杠8的丝母向上运动，带动可移动床面1、病床支架2、前后运动装置5和左右运动装置6一同向上移动，并自动停止，使磁体内的导轨与电动病床的导轨对齐，以便移动病床向磁体内移动。

图5为图2中的前后运动装置5的结构原理图。如图所示，前后运动装置5包括依次连接的直流电机11、离合器12、带轮13、同步带14、齿条15、齿轮16。

前后运动装置5的工作过程如下：当需要病床向磁体内移动时，按下操作面板上的向里运动的按键，开通直流电机11的驱动器，驱动直流电机11运转，通过减速机进行减速，并通过离合器12将扭矩传递给电机轴端的带轮13，通过同步带14带动驱动轴上的齿轮16，齿轮16带动可移动床面1下面的齿条15，使床面沿导轨向磁体内移动，导轨采用玻璃钢型材。通过驱动轴端的编码器17，计算需要移动的距离，并控制床体在移动到需要的距离后自动停止。当需要病床移出磁体时，按下指定按键，使电机反转即可。由于直流电机11为铁磁性材料制成，所以必须位于磁体的5高斯线以外，所以在本发明中采用同步带传动方式。带轮13和齿轮16采用有色金属，齿条15需要随着可移动床面进入磁体3的中心，故齿条15所用材料必须为非金属。

图6为图2中的左右运动装置6的结构原理图。如图所示，左右运动装置6包括依次连接的直流电机18、离合器19、带轮20、同步带21、斜齿轮22、齿轮24和齿条25。

左右运动装置6的工作过程如下：按下操作面板上的左右运动按键，开通直流电机18的驱动器，驱动直流电机18运转，通过减速机进行减速，并通过离合器19将扭矩传递给电机轴端的带轮20，通过同步带21带动驱动轴上的斜齿轮22，斜齿轮22带动齿条25，通过无磁直线导轨的引导实现可移动床面的左右运动，直线导轨采用铝材。通过驱动轴端的编码器23计算出需要移动的距离，并控制床体在移动到需要的距离后自动停止。

下面介绍上述悬臂式三维运动病床的控制电路。

图7为图2中的悬臂式三维运动病床的控制电路的结构图。如图所示，控制电路包括主控单元、限位控制单元、光电编码器、操作面板、PC机、电源、电机、电机驱动器组成。

主控单元是电动病床控制电路的中心部分，负责检测、控制和协调的任务。主控单元采用8位单片机作为中心控制单元，配合FPGA，实现多路逻辑控制。电路设计中采用了多种降低电磁干扰的措施。主控单元含有众多的元器件，对电磁干扰比较敏感，应放置在磁体的50高斯线以外，并尽量远离磁体。本实施例中主控单元安置在床架上外端，以便满足要求。

主控板的晶振采用扩频晶振，该扩频晶振的工作频率为磁共振设备的共振频率，该措施可以消除磁共振成像的干扰条纹。

为了隔离控制信号，主控单元采用厚度为3mm以上的铝屏蔽盒全封闭，该封闭措施可将磁共振成像的信噪比提高30％。同时，进出主控单元的信号全部经过光藕隔离和穿心滤波器滤波，这两个措施可分别将磁共振成像的信噪比提高2％和10％。另外，进出主控单元的控制信号传输电路和控制信号生成电路采用不同的电源，并彼此绝缘，该措施的使用可将磁共振成像的信噪比提高7％。

限位控制单元是为了将可移动床面控制在行程之内，而在可移动床面行程的两端设置的。限位控制单元可以是光电限位开关，当可移动床面到达光电限位开关的位置时会被检测到，并由主控单元控制可移动床面停止移动。

光电编码器分别安装在升降装置、前后运动装置和左右运动装置中，用于实时检测病床的位置，其采用增量光栅式编码器，检测精度达到0.05毫米。

操作面板提供了病床运动控制的人机交流平台，用于输入按键指令以便电动病床完成相应的动作，操作面板和主控单元之间通过串行通讯方式进行联系。

电源、PC机和操作面板与主控单元各自的连接之间均加入带阻滤波器，以便滤除磁共振设备共振频率附近的频率。该带阻滤波回路的中心频率为磁共振设备的共振频率，带宽为300KHz，最大衰减50db。该带阻滤波回路的适用可将磁共振成像的信噪比提高5％。

电机采用两个电压为24V的直流低压电机控制可移动床面的前后和左右运动，采用一个交流伺服电机控制病床的升降运动。直流低压电机的优点是控制方式简单、噪音小、运行平稳安全。电机由电机驱动器进行驱动，电机驱动器用铝屏蔽盒进行全封闭，该封闭措施可将磁共振成像的信噪比提高10％。

所有连接线采用双屏蔽电缆，使用该措施可以将磁共振成像的信噪比提高20％。

另外，控制电路还包括激光灯，用于对病人的病灶位置进行定位。

整个三维运动电动病床系统的工作过程如下：

首先，上电后进行自检，按下操作面板上的复位键，令可移动床面退到最外端后，找到病床前后运动行程的绝对原点，再向上运动到升降行程的最上端，确定升降行程的绝对原点，再向左运动到行程顶端，找到左右运动行程的绝对原点，最后移动到左右运动行程的中心位置，完成复位操作。

然后，根据病人的情况，按动操作面板上的按键将可移动床面移动到适合的高度，以便老人和儿童上下床，尤其对于不能自理的病人，这种操作可以提供很大的便利。病人上床后，将病灶部位移入射频线圈，按动操作面板上的按键，将病床移动到升降行程的最上端。

接下来是确定病灶部位的过程：按下激光灯的控制键，点亮激光灯；按下前、后、左、右运动键，使激光灯的十字焦点对准病灶部位，然后按下用于记录信息的相应按键，系统将自动记录病灶的位置。

这里，传统磁共振设备没有左右移动病床的功能，如果患者的病灶部位在是肩部、腿部等位置，需要病人不停地挪动身体以适应位置，病灶的定位比较繁琐，如果是不能自理的病人就更加不便。本发明的电动病床的左右运动功能解决了这个问题。

随后是将病灶部位运送到磁体中心的过程：完成病灶部位的标记后，按下运送病床相应的按键，病床自动将病灶部位运送到磁体中心并自动停止。本实施例中，该运送过程的误差控制在0.5mm之内。

本发明的三维电动病床系统设计为双定位系统，在磁体中心位置还设置有一个十字交叉的激光灯线，病灶部位到达磁体中心后，病灶部位应刚好处于十字激光线的中心位置。该双激光灯校验方式还可以方便用于手动模式。

病灶部位到达磁体中心后可以启动扫描成像。在扫描成像的过程中，电机自动断电，使用该措施可以将磁共振成像的信噪比提高20％。扫描完成后按下移动病床的相应按键将病人移出磁体，移动床面下降，病人下床，完成整个三维运动电动病床系统的工作过程。

下面介绍上述控制电路的PC机软件控制流程。

图8为本发明的三维运动病床的PC机软件控制主流程图。

如图，程序开始后进入初始化环境的步骤。初始化设置包括如下内容：设置各个变量的初始值；设置定时器中断；设置串行中断及通讯参数；设置电机初始状态；设置激光灯和照明灯的初始状态；设置电磁离合器的初始状态。

随后，进入控制软件的主循环入口，该循环为根据操作面板接收到的按键指令执行相应的操作，主要的操作包括：控制激光灯的点亮和熄灭；控制电磁离合器的开启和停止；控制电机的转动、停止、转速、旋转方向、移动距离以及加减速曲线。

图9为本发明的三维运动病床的PC机软件控制流程中的串行中断子程序流程图。

当接收到中断信号后，首先判断该中断为接收中断还是发送中断。

如果是接收中断，则接收来自操作面板的指令，并进行相应的响应。对于合理的按键请求，则执行该请求，并通知操作面板该命令已经被执行。对于不合理的按键请求，则不执行该请求，并将相应的告警信息发送给操作面板。

如果是发送中断，则将发送缓存器中的数据发送到操作面板，该数据为病床状态字、告警信息、病床位置信息和LCD菜单确认信息中的一种或几种。随后，监测限位开关状态，确定病床所处的位置，并提供如下的相应处理意见：特定位置的加减速控制；病床处于行程两端位置时发出控制命令字以控制病床停止运动；在起始位置校正参考坐标系原点位置；当病床超出预定行程时关闭运动电机电源。之后，系统读取光电编码器的脉冲信号，以计算病床的当前位置及运动速度。

执行完中断操作后，程序进入中断出口。

以上为本发明的优选实施例，但是本发明并不局限于上述特定实施例子，在不背离本发明精神及其实质情况下，熟悉本领域技术人员可根据本发明作出各种相应改变和变形，如可将电路设计上的各种抗干扰措施、电磁屏蔽措施进行不同的组合，而这些相应改变和变形都应属于本发明所附权利要求保护范围之内。

Claims (18)

1、一种用于永磁开放式磁共振设备中的三维运动电动病床系统，其特征在于，

该系统包括悬臂式三维运动病床及其控制电路，其中：

所述悬臂式三维运动病床包括：

可移动床面；

支撑可移动床面的病床支架；

升降装置，用于使支撑着可移动床面的病床支架进行上下移动；

前后运动装置，用于使可移动床面进行前后移动；

左右运动装置，用于使可移动床面进行左右移动；

光电限位开关，用于将可移动床面控制在行程之内，分别设置于所述可移动床面的升降、前后和左右移动行程的两端；

所述控制电路包括：

主控单元，与电源和PC机连接，用于生成和发送控制信号；

限位控制单元，与主控单元连接，用于操控光电限位开关；

操作面板，与主控单元连接，用于向主控单元输入操作指令；

与主控单元连接的电机驱动器。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述升降装置包括伺服电机、减速机、调心轴、无磁滚珠丝杠及其支撑架。

3、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前后运动装置包括直流电机、减速机、离合器、同步传动装置和导轨。

4、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述左右运动装置包括直流电机、减速机、离合器、同步传动装置和导轨。

5、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制电路中采用双屏蔽电缆作为连接线。

6、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制电路还包括光电编码器，其与主控单元连接，分别安装于升降装置、前后运动装置和左右运动装置中，用于计算可移动床面的移动距离。

7、如权利要求2、3或4所述的系统，其特征在于，所述电机在磁共振设备进行成像时自动断电。

8、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机驱动器和主控单元均用铝屏蔽盒全封闭。

9、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制信号的生成和发送采用不同回路和电源，并彼此绝缘。

10、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述操作面板、电源、PC机与主控单元之间设有带阻滤波器，用以滤除磁共振设备共振频率附近的信号。

11、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述病床的高度在450mm-900mm之间。

12、如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述无磁滚珠丝杠的支撑架和所述病床支架为高纯度铝合金支撑架或者马氏体不锈钢支撑架。

13、如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述无磁滚珠丝杠两侧设置有无磁直线导轨，用于承受可移动床面的侧倾力。

14、如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述伺服电机安装于升降装置的最下方。

15、如权利要求1所述的系统，其特征在于，进出所述主控单元的控制信号全部经过光藕隔离。

16、如权利要求1所述的系统，其特征在于，使用穿心滤波器对进出所述主控单元的控制信号进行滤波。

17、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控单元使用的扩频晶振的工作频率为磁共振成像的共振频率。

18、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制电路还包括两个激光灯，其中一个安装在磁共振设备中，另一个安装于移动床面上，用于对病灶部位进行双定位。

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